Weltweit erste absolut erdbebensichere Bahnbrücken-Dehnfuge

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Zusammen mit einem komplexen System aus Lagern, Dämpfern und Elastomerfederisolatoren gewährleisten die Dehnfugen Bauwerksstabilität, -funktion und -sicherheit für verschiedenste Lastfälle: von Brems- und Beschleunigungskräften im Normalbetrieb bis zum maximal vorstellbaren Erdbeben (Maximum Considered Earthquake, MCE).

Region mit extrem hohen Erdbebenbeschleunigungen

Die Rahmenbedingungen sind eine Herausforderung. Die beiden größten Brücken, Viadukt 2 (3.865 m lang) und Viadukt 4 (1.448 m), liegen in den Bergen. Zudem ist die Region stark erdbebengefährdet. Die Pfeiler haben Abstände von bis zu 64 m und sind bis zu 65 m hoch. Es ist das erste Eisenbahnprojekt Mexikos mit Viadukten dieser Dimension in einer Region mit extrem hohen Erdbebenbeschleunigungen von bis zu 0,77 g. Die herkömmlichen Verstärkungen mit Beton und Stahlbewehrung in der Bauwerkstruktur waren angesichts der Erdbebenkräfte weder ausreichend sicher noch wirtschaftlich.

Kombination unterschiedlicher Bauwerkssicherungssysteme

Umgesetzt wurde stattdessen eine Kombination aus verschiedenen Bauwerkssicherungssystemen, die kontrollierte Bewegungen zulassen, komplett in sich aufnehmen und die Erdbebeneinwirkungen somit abschwächen. Die sehr individuelle Anpassung der einzelnen Bauwerke an die Einflussgrößen aus dem Erdbeben konnte nur in enger Zusammenarbeit zwischen MAURER und den Bauwerksplanern realisiert werden. Gefordert ist, dass selbst unmittelbar nach einem Starkbeben die Viadukte sicher mit Zügen befahrbar sein müssen.

Folgende Elemente greifen an den beiden großen Viadukten ineinander:

• Die neue, erdbebensichere Wanderschwelle: Diese Dehnfuge an den einzelnen Enden der Brückenabschnitte ermöglicht zerstörungsfreie thermische und seismische Bewegungen in alle Richtungen.
• Kalottenlager mit dem Gleitwerkstoff MSM^®: Die Auflager zwischen Brückendeck und Pfeiler nehmen 2.900 t Auflast auf und verhindern für das Bemessungserdbeben (Design Basis Earthquake, DBE) ein seitliches Ausbrechen des Decks.
• Horizontal angeordnete Hydraulikdämpfer: Sie blockieren Bremskräfte und begrenzen im MCE-Fall (maximal vorstellbares Erdbeben) die Brückenverschiebung in Längsrichtung.
• Elastomerfederisolatoren: Sie rückzentrieren die Brücke in die Neutralstellung, und zwar optimal für alle Erdbeben- und Servicelastfälle.
• Betoneinfassungen in Querrichtung auf jeder Achse seitlich am Brückendeck: Sie werden im Notfall aktiviert, um ein Abstürzen der Brücke zu verhindern.

Komplexität als Herausforderung an sich

Die erforderlichen Kraftreduktionen in den verschiedenen Lastfällen konnten nur durch ein individuell angepasstes Dehnfugen-, Isolations- und Dämpfersystem mit entsprechend ausgelegter Bewegungsfreiheit bzw. Nachgiebigkeit erreicht werden. Die besondere Herausforderung war dabei, die verschiedenen Anforderungen hinsichtlich zulässiger Kräfte und gleichzeitiger Bewegungen unter einen Hut zu bringen.

Das wartungsfreie Schutzsystem entsprechend der EN 15129 (Erdbebenvorrichtungen) reduziert die wirkenden Längskräfte im Brückendeck um den Faktor 3–4. Das erlaubt erheblich kleinere Lager und Dämpfer. Damit konnten die vom Architekten gewünschten schlanken Pfeiler mit relativ geringen Gründungsmaßnahmen realisiert werden. Das Schutzsystem garantiert bei stark reduzierten Gesamtbaukosten eine hohe Sicherheit und Funktionalität für das Bauwerk. Die Bauwerksicherheit und die Funktionalität sind auch nach einem Starkbeben absolut sichergestellt.

Erdbebensichere Wanderschwelle

Die entscheidende Innovation war die Wanderschwelle, die über Jahre entwickelt wurde. Bei der Strecke Toluca-Mexico City wurde sie weltweit erstmals eingebaut. Die Gleise überbrücken mithilfe der Wanderschwelle den Spalt zwischen den einzelnen Viaduktabschnitten erdbebensicher. Die Wanderschwelle basiert auf dem Prinzip der Schwenktraversen-Dehnfuge aus dem Straßenbau, nur wesentlich stabiler, um die großen Achslasten bei Zugüberfahrt ermüdungsfrei zu überstehen. Der entscheidende Sicherheitsvorteil der Wanderschwelle: Die beweglichen Lager in der Konstruktion erlauben das „Wandern“ bzw. Verdrehen der Schwellen in der bzw. um die Längs-, Quer- und sogar Vertikalachse.

Bei Zugüberfahrt kommt es innerhalb der Wanderschwelle zu keinen nennenswerten elastischen Verformungen. Das ermöglicht hohe Zuggeschwindigkeiten bis 350 km/h. Die vollen Erdbebenbewegungen werden ohne plastische Deformationen innerhalb der Dehnfuge kompensiert; dies erlaubt selbst nach einem Starkbeben die sofortige Überfahrt.

Am Viadukt 2 wurde z. B. auf fünf Abschnitten je eine Wanderschwelle pro Fahrtrichtung eingebaut. Somit kann sich jeder Abschnitt individuell bewegen, was die Kräfte auf die Pfeiler und die Gründung drastisch verkleinert. Das führt zu höheren Tragsicherheiten und zu einer um bis zu 10 % wirtschaftlicheren Bauweise.

Kalottenlager für hohe Pressungen auf kleinem Raum

Die Viadukte haben Einzelspannweiten von 55 m bis 64 m, die Pfeiler sind bis zu 65 m hoch und sehr schlank. Als Brückenlager zwischen Deck und Pfeiler werden deshalb pro Achse zwei Kalottenlager mit hochmolekularem Polyethylenwerkstoff vorgesehen, um die Lager ca. 40 % gegenüber herkömmlichen Teflongleitlagern zu verkleinern. Die Herausforderung war dennoch, dass jedes Lager mit kleinstmöglichen Außenmaßen für eine Traglast von 2.900 t, eine Querkraft von 5.100 kN, eine Bewegung von bis zu ±1.150 mm und eine Rotation von 2 % ausgelegt werden musste. Die Decklängsbewegungen laufen dabei zwängungsfrei mit nur 1–2 % Gleitreibung ab. Im Erdbebenfall wirken die Kalottenlager als Isolatoren und können sich ca. ±450 mm frei bewegen. 

Die 142 Kalottenlager sind maximal 3,2 x 1,2 x 0,32 m groß und wiegen 4,5 t.

Hydraulikdämpfer für die Bremskräfte

In der Mitte eines jeden Brückenteilabschnitts liegen auf einem Pfeiler bis zu sechs Hydraulikdämpfer. Sie blockieren in Längsrichtung der Brücke die impulsartig auftretenden, dynamischen Bremskräfte der Züge und verhindern Brückendeckverschiebungen von mehr als den erlaubten 10 mm. Für das Dämpferdesign war somit das extrem schnelle Ansprechverhalten bei 1–2 mm/s Deckbewegung mit der zugleich notwendigen Widerstandskraft von 3.000 kN ausschlaggebend. Langsame thermische Deckbewegungen lässt das Dämpfersystem ohne signifikanten Widerstand zu.

Deckverschiebung im MCE-Fall wird begrenzt

Gleichzeitig limitieren diese Dämpfer im MCE-Fall die Deckverschiebung auf ±450 mm. Dafür ist jeder Dämpfer mit einer Antwortkraft von bis zu 3.000 kN ausgelegt: Pro Abschnitt stabilisieren insgesamt bis zu 24.000 kN das Deck.

Um die Brückenabschnitte während und nach einem Erdbeben zu zentrieren, wurden parallel zu den Hydraulikdämpfern 52 Elastomerfederisolatoren eingebaut. Sie wirken als elastische Fixpunkte und holen das Deck in die Mittelstellung zurück. Wegen der hohen Anforderungen an die Dämpfer und Elastomerfederisolatoren wurden diese in zwei Instituten getestet: auf dem „shake table“ der University of California in San Diego und dem Erdbebensimulator der Universität Messina.

Seitliche Betonführungen als Absturzsicherung

Von den oben angeführten Kalottenlagern liegen auf jeder Achse ein frei bewegliches und ein seitlich geführtes Lager. Das geführte Lager verhindert im DBE-Fall ein seitliches Ausbrechen der Gleise. Bei höheren Kräften für MCE-Lastfälle gibt die Lagerführung nach, als zusätzliches Sicherheitssystem wirkt die bauliche Betoneinfassung auf den Pfeilern, sodass die Brücke nicht abstürzen kann.

Der Einbau der Wanderschwellen an Viadukt 4 ist im dritten Quartal 2020 geplant.

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